基于光栅的激光测速仪设计

第一章绪论
1.1研究的背景和意义
光学多普勒效应是光学领域中具有广泛应用前景的学科分支之一。

尤其是激光多普勒效应的研究更是具有极强的应用潜力。

国际上，激光多普勒效应的研究工作开展较早。

自激光出现后，国外学者相继提出并从事该领域的研究工作，在理论上取得了一定的进展。

由于激光系统的复杂性、稳定性、造价及寿命的原因，曾经使这一研究项目的实用性受阻。

随着半导体激光器的出现和产业化，给这一研究领域的实用化注入了无限的生机【1】。

激光多普勒测速仪由于采用激光为光源，具有一些激光的特性，这也就是测速仪的优点，使得无论是从精度到时间和空间上的分辨率都提高到一个量级，在科学的各个领域都是少不了的检测方法【2】。

据市场调查，该项目在许多领域都有很大的市场。

激光测速技术是目前交通管理方面研究的热点问题，随着汽车的普及率越来越高，我们更需要一种更有效的检测手段。

自1960年美国T．H．Maiman博士制成世界上第一台激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。

激光测速是从六十年代中期发展起来的，利用激光的单色性、能量高度集中的特点，用测频的方法直接测物体的速度。

比起老式的雷达测速仪，最新的激光测速仪的性能有了明显的提高【3】。

激光测速主要是加强对超速车辆的监控，尤其是加强对高速公路超速行驶车辆的监控，及时纠正和查处超速驾驶的违法行为，预防和减少道路交通事故的发生。

激光多普勒测速仪的研究项目属于激光测量技术范畴。

它是以激光作光源，利用光射到运动物体上产生的多普勒效应，并使用一些特定的处理方法，实现对运动物体速度的测量。

激光多普勒效应一方面是光学领域中具有广阔应用前景的学科分支之一，它不仅应用于军事激光雷达，而且也广泛应用于国民经济及科技领域。

另一方面，随着电子技术的发展及半导体激光器的出现及产业化，给这一研究领域的实用化注入了生机。

近年来无论从光路设计还是在信号处理方面都有所创新，所以激光多普勒技术的研究又重新受到了重视。

激光多普勒效应的研究具有极强的应用潜力。

目前，国外生产的测速系统一般为短程测速系统，均需要反射棱镜，测程一般
在1-3km左右；如果采用多个反射棱镜作配合目标，测程可提高，有的可达5km以上。

目前在国内销售的外国产品主要有：瑞士的徕卡系列、美国的YARDAGEPRO(雅而准)系列、美国Impulse激光测速仪以及日本的索肖全站仪系列。

国外测速仪方面的最新发展主要有：一是自动目标跟踪测距测速仪，它可以在一定的移动速度范围内自动跟踪配合目标，以实现单人测量；二是配合目标短程测距测速仪，它可以在没有反射棱镜作为配合目标的情况下，仅利用目标物对反射光的漫反射来实现目标距离的测量，因此其量程通常较短；三是用GPS接收机实现距离的高精度测量【4】。

在国内，测绘仪器的研制开发和生产还处于一个较低层次水平上，光电测速仪的研制起步较晚，七十年代清华大学、北二光、常州二电等几家单位才开始研制。

激光测速技术的发展始终围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测量时间和对人眼安全等方面展开。

目前，市场上的手持式激光测距测速仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为905纳米和1540纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG 激光。

1064纳米的波长对人体皮肤和眼睛是有害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。

所以，在国外，手持激光测距测速仪中，完全取缔了1064纳米的激光。

在国内，某些厂家还有生产1064纳米的激光测距测速仪。

对于905纳米和1540纳米的激光测距测速仪，我们就称之为“安全”的。

对于1064纳米的激光测距测速仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的，在实际应用中也尽量避免。

在国内，目前比较成熟的技术是LDV技术，然而LDV技术使用的仪器更为复杂，产品成本也很高，不能在短时间内全面普及【5】。

本设计所介绍的激光多普勒测速技术是一种非接触式测量技术，它通过光栅探测物体表面散射或反射光与参考光的频移，可以得到运动物体的速度信息，具有极高的测量精度。

从原理上讲，这种测速技术响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动【7】。

它能覆盖很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数的影响，与传统的测速仪相比具有如下优点：非接触测量、空间分辨率极高、动态响应快、测量精度高、测量量程大。

而与之相比，传统的激光测速仪价格较贵、耗电量大。

因此，无论从经济还是实用性方面考虑，研究这种装置更为简便、成本更加低廉的激光测速仪都是很有必要的。

在国内目前比较成熟的技术是LDV技术，然而LDV技术使用的仪器更为复杂，
产品成本也很高，不能在短时间内全面普及。

本设计中直接使用光栅测量多普勒频移，进而求物体的速度，与LDV技术相比，减少了很多高成本元件的使用，方法更简单，测量系统成本更低，更易实现。

如能解决测量精度和效率问题，这种方法会有很大的应用前景。

1.2 激光测速仪的研究现状
1.2.1激光测速方法的研究现状
传统激光测速技术对物体运行速度的测量，是通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，由此取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。

激光多普勒测速技术是伴随激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事、航空、航天、机械、能源、冶金、水利、钢铁、计量、医学、环保等领域【9】。

激光多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础，当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系，通过测量多普勒频移进而求出物体运动的速度。

随着科技的发展，传统的测量设备已不能满足现状的需求，已渐渐地被淘汰，而激光测速传感器已被广泛使用，它在很多领域中测量有着重要意义。

ZLS-C50激光测速传感器和ZLS-Px激光测速传感器是特别定制高精度的两款激光测速传感器，同时也是目前国内常用的两款高精度激光测速传感器【10】。

并且它们通过与计算机连接，可对被测物进行自动化、智能化的测量控制，这也是现在测量技术与计算机技术相结合的产物。

激光测速传感器有如下几个重要特点：1、远距离测量；2、测量范围广；3、非接触；4、测量精度高；5、响应时间短。

目前，激光测速传感器应用很广泛，它可应用在生产设备，特种机车，风力发电等，板材、管材在线切割，电缆或砂纸速度测量等。

由于它们是无接触测量，测量敏感或无法触摸的物体非常适合，如绒布、毛皮等纺织品、涂层或粘胶表面、泡沫橡胶表面物体的测速，还有金属加工业如测量钢铁的速度、双抽速度测量、涂装工艺的控制等。

1.2.2国内外研究具有代表性的产品及技术介绍：
1、迈克尔逊干涉型测速仪
1965年，Barker 等人发明了
如图1.1所示的迈克尔逊干涉型
测速仪。

激光器输出的单频激光
经前置透镜L1入射到分束器BS
上，被BS 分为两束光。

其中，反
射光束射到以速度u 运动的待测
运动物体上，透射光束射到反射
镜M1上。

来自M1的反射光束的
频率为激光器自身的频率，作为
参考光束。

由于多普勒效应，经
待测运动物体反射回来的光束的 图1.1 迈克尔逊干涉型测速仪 频率变为c / 2u νν+(c / 2u ν为光的多普勒频移量)，作为信号光束。

信号光束和参考光束经过BS 合束，经透镜L2 准直后，由光电探测器接收，光电探测器输出的拍频信号的频率为:
d f =c / 2u ν (1.1)
于是，可以得到待测物体的速度：
)/(2νd cf u = (1.2) 由式(1.1)可知，这种测速仪产生的信号频率与待测运动物体的速度成正比，由于光频很高，样品速度不高时也会产生很高的信号频率，对信号检测系统的带宽会有较高的要求。

此外，激光器频率的不稳定也会导致测量精度的降低，还存在光路调节难度大的缺陷，应用受到很大的限制【11】。

2、差分混频单频激光多普勒测速仪
1969年D.Simpson 和P.R.Smy
设计了如图1.2所示的差分混频单
频激光多普勒测速仪【12】。

其中，激
光器输出频率为的单频激光，经过
一块平面平行平晶分束器BS1分束
后，与透镜L1一起形成夹角为α
∆
的两束光，二者同时入射到以速度u 图1.2 差分混频单频激光多普勒测速仪 运动的待测物体表面。

从样品反射回来的两束光均具有多普勒频移, 经透镜和平面平行平晶BS2合束后, 由光电探测器D 接收。

两束光和待测运动物体的夹角相差一个角度α∆, 那么二者产生的多普勒频移量是不同的。

由多普勒效应可知, 光电探测器D 输出的拍频信号的频率为： ]sin -)[sin(2αααν∆+=c
u f B （1.3） 由于α∆很小，式（1.3）可近似为：
ααν∆=⋅cos 2c
u f B （1.4） 由式(1.4)可知，在这种测速方法中，可以通过选择合适的α和α∆，来降低测得拍频信号的频率，从而降低对检测系统带宽的要求。

但是这种技术在实际应用中存在着局限，由于角度α∆很小，精度很难控制，从而会引起速度的测量误差。

在实际应用中利用这种测速仪只能测量很低的速度，应用很受限制。

3、单频激光速度干涉仪
单频激光速度干涉仪是
为克服接收系统频响不够高
的缺点而研究出来的一种激
光多普勒测速仪，它的测量原
理如图1.3所示【13】。

激光器发
出的频率为ν的光照射到以
速度u 运动的待测运动物体
上，从运动物体上反射回来的
光束经分束器BS1分成两束，其 图1.3 单频激光速度干涉仪
中，反射光束经过由反射镜M1和M2组成的延迟支路后，与BS1的透射光束经第二个分束器BS2合束后送入光电探测器D 。

在光电探测器D 中发生混频的两个频率的光对应于不同时刻的信号光。

当样品速度有变化时，二者的多普勒频移量是不同的。

由多普勒效应可知，在时刻t ，光电探测器输出的差拍信号的频率为： )]-u(t -[u(t)c
2(t)τν=B f （1.5） 由式(1.5)可知，单频激光速度干涉仪的光电探测器输出信号的频率是对应两
个时刻信号光的差拍频率。

当速度变化特别大时，可以通过减小时间，使速度变化引起的差拍频率在检测系统的频响范围内。

从系统频响的角度来看，单频激光速度干涉仪测量高速运动物体速度的能力是不受限制的，很好地解决了系统频响不够高的问题。

但是，单频激光速度干涉仪是对加速度敏感的，当物体匀速运动时，光电检测器输出的信号频率为零，只有速度有变化时才会有拍频信号，不能测量匀速运动物体的速度。

这种测速仪在本质上是一种加速度测量仪，不是速度测量仪，从而限制了它的应用范围。

4、激光多普勒测速仪(LDV)
LDV 的全称是Laser
Doppler Velocimeter ，即激
光多普勒测速仪。

LDV 是一种
利用运动物体散射光的多普
勒频移来获得速度信息的非
侵入速度测量技术，在流体速 图1.4 激光多普勒测速仪(LDV)
度测量中应用广泛。

典型的LDV 的测量原理如图1.4所示，激光器发出的光经分束器BS 和反射镜M 后，变成两束平行的激光束，这两束激光束经透镜L 聚焦相交， 确定一个测量区域【14】。

当一个以速度u 运动的待测粒子通过测量区域时，两束入射光在光电探测器方向上的散射光频率分别为： ] )01e s (e [11-c
u ∙+= νν （1.6） ] )02e s (e [12-c
u ∙+= νν （1.7） 其中ν为激光器的频率。

由式（1.6）和式（1.7）可知，光电探测器输出的拍频信号的频率为：
c
u f B )2(sin 2-21θννν== （1.8） 由式(1.8)可知，由B f 的值，可确定速度u 的大小。

5、HH 型双频激光多普勒测速仪
由清华大学研制的HH 型
双频激光多普勒测速仪的测
量原理如图1.5所示。

不同于
正交偏振双频激光多普勒测
速仪必须采用偏振方向相互
垂直的线偏振双频激光器作为 图1.5 HH 型双频激光多普勒测速仪
光源，这种测速仪既可以采用同偏振的线偏振双频激光器作为光源，也可以采用垂直偏振的线偏振双频激光器作为光源。

图1.5是采用同偏振的线偏振双频激光器作为光源的情况。

激光器发出的双频激光为偏振方向相同的线偏振光，频率分别为1ν和2ν，频差ν∆=∣1ν-2ν∣。

输出光经分束器BS 分为两束光。

一束反射光由光电探测器D1接收，测得的拍频信号1D f 作为参考信号。

另一束透射光照射到以速度u 运动的待测物体上，经待测物体反射后，光束中两个频率的光产生不同的多普勒频移，反射光由光电探测器D2接收，测得的拍频信号2D f 作为测量信号。

由激光的多普勒效应和光电探测器的平方律效应可知，探测器D1测得的参考信号的频率为： ννν∆==211-D f （1.9）
探测器D2探测到的测量信号的频率为：
]c
2u [12+∆=νD f （1.10） 参考信号1D f 和测量信号2D f 的频率差S f 正比于待测速度u ，可表示为：
c
2u ν∆=S f （1.11） 于是，由式(1.11)可知，通过测量S f 的值，可以得到待测物体的速度u 。

由式(1.11)可知，这种测速仪的S f 是正比于双频激光器的频差ν∆的，当待测物体的速度u 很大时，S f 也很小，因此，它能够测量很高的速度。

这种测速仪的优点是结构简单，使用方便，测速上限高，具有大的测速范围。

1.2.3现有激光测速技术的研究方向
九十年代中期以来，激光多普勒测速技术有了极大的发展。

随着半导体及微电
子技术和光学等领域新型元器件的开发应用以及仪器构成新思路的出现，使测速仪的构成有了重大改变，其中最引人注目的是：
(1)利用两个稳频的激光二极管产生测速时所需范围内的光频移。

(2)利用外差技术去除光频移的波动并得到多普勒频率。

(3)用新的信号处理方法，利用两个混频的、带频移的多普勒信号与正交的频移信号混频，可得到正交的多普勒信号，从而用于辨别流向。

采用以上三种方法可以消去以前是必不可少的频移元件(如声光调制盒)。

(4)用半导体激光器泵清的Nd：YAG环行激光器通过不同折射率及长度的光纤产生光频移，并用正交信号击辨别流向。

这一方法的优点与以上三点相同，但可使入射激光束功率有较大提高。

近年来，激光多普勒测速仪（LDV）作为一种新型的速度传感器，以精度高、测速范围宽、动态性能好及非接触测量等优点在航空、航天、机械、能源、医学等领域得到了广泛的应用【15】。

激光多普勒测速仪（LDV）是基于激光多普勒效应，利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。

LDV通常有3种模式：双光束差动模式、参考光模式及自混合模式，其中双光束差动模式不能进行离焦测量，自混合模式测量精度受环境的影响较大。

1.3研究内容以及论文结构的安排
本文重点研究了激光多普勒测速原理、光栅的制作及工作原理、光路的设计、光路的仿真、被测物体速度的计算方法。

论文的主要内容安排如下:
第一章:绪论。

简要介绍了激光测速技术的研究背景和意义，总结了激光测速技术的研究现状，对现有的激光测速技术和产品作了简单介绍，为后续研究作准备。

第二章：激光测速系统的总体介绍。

本章主要介绍该系统的总体结构以及各个主要部件的基础理论以及对几种常用的激光多普勒测速方法作了简要介绍，本文采用了基于光栅的激光多普勒方法来测试运动物体的速度。

第三章:基于光栅的激光多普勒测速系统。

对测速系统中起重要作用的激光器和光栅作了初步的概述，也根据设计要求选取了合适的器件，对所设计的测试系统光路图进行了简单介绍。

第四章:利用光栅测多普勒频移。

介绍了光路部分的散射和衍射，重点说明光
栅测多普勒频移的具体实现方法，利用ZEMAX软件对光路进行仿真，推算根据测得的多普勒频移计算运动物体速度的算法。

利用CCD传感器采集衍射图样，并在PC 中分析图样，编程实现对运动物体速度的计算。

第五章:总结与展望。

对本文所做的工作进行总结，分析了研究过程中存在的不足，并对未来的研究做了展望。

第二章激光测速系统介绍
2.1 测速系统的总流程
图2.1 系统测量总流程图
2.2 激光多普勒原理
当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。

当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应【16】。

下面就介绍一下散射面光学多普勒频移的相对论基础原理。

在狭义相对论中，相互之间作匀速运动的参照系之间的时空变换满足洛伦兹变换。

如图2.2所示，参照系'''Y O X 相对于参照系XOY 以速度V 运动，方向为X 轴正方向。

图2.2 两个作相对运动的参考系
设参照系'''Y O X 的空间坐标和时间坐标分别为'x 、'y 和't 。

参照系XOY 的空间坐标和时间坐标分别为x ，y 和t 。

由XOY →'''Y O X 的洛伦兹变换为： βVt
x x -'=
y y =' (2.1) β2
'-c Vx t t =
其中，c 为光速，22
-1c
V =β。

这是一个可逆变换，其逆变换'''Y O X →XOY 是： β'
'Vt x x +=
'y y = (2.2) β2
''c Vx t t +=
设有一束XOY 参照系中的入射光，光线方向与X 轴正方向夹角为θ，如图2.2所示。

则此平面波可以表示为： )c
ysin -c xcos -(t 2cos 0δθθπ+∙∙=f E E (2.3) 其中f 是光频率，δ是与初相有关的一个量。

散射体沿X 轴正方向运动，速度为V 。

建立相对于散射体静止的'''Y O X 参照系，则此参照系沿X 轴正方向以速度V 运动，在两个参照系上研究的物理现象满足上述的洛伦兹变换。

我们用洛伦兹变换将这一束光变换到'''Y O X 参照系，也就是在'''Y O X 参照系观察这束光。

将式(2.2)代入式(2.3)作洛伦兹变换到'''Y O X 参照系，得到： ]c y c Vcos -1sin -c x c Vcos -1c V -cos -[t )]c Vcos -(11
2cos['
''0δθθβθθθβπ+∙∙∙∙∙=f E E (2.4) 其中，22
-1c
V =β。

根据狭义相对论，所有相互间做匀速运动的参考系应该是等价的，它们的物理规律应该具有相同的形式，所以有： )c sin y -c cos x -(t 2cos '
''''
'0δθθπ+∙∙=f E E 。

(2.5)
(a) XOY 参照系中的入射光 (b)由移动物体P 产生的多普勒频
图2.3 光学多普勒效应原理图
对照两个式子，可以得出： βθc
V f f cos -1'∙=
c
V c V θθθcos -1-cos cos '= (2.6) V θθβθcos -1sin sin '= 其中，22
-1c
V =β。

'f 为在'''Y O X 参照系中观察到的光频率，'θ为光在'''Y O X 参照系中相对于'x 轴的夹角。

但由于是在XOY 参照系中观察，同样分析在XOY 参照系中观察到的散射后的频率为： βθc
V f f cos -1'∙= (2.7)
可见，光频率发生了变化，这就是光的多普勒效应。

由于测量速度远小于光速，由于光源S 与接收器Q 静止，中间散射体P 以速度V 运动，而引起光频率发生变化。

当静止的观察者(或光检测器)从某一方向观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动，接受到的散射光频率又会同粒子接受到的光波频率不同，其值为： βθc
V f f cos 1'''+∙= (2.8)
以相对光源静止的参照系为观察系，由接收器Q 接收散射光后，频率变为： c
V c V f c V f f 212'''cos -1cos 1cos -1θθθβ
+∙=∙= (2.9) 如图2.3(b)所示，2-221απθθ==，故最终频移公式为： λθ
cos 2-''V f f f ==∆ (2.10)
其中V 是散射体的速度；
λ是入射光的波长，实验采用氦氖激光器。

本论文中建立的多普勒模型如图2.4所示，光源L 发出频率为0υ的一束光，入射到运动物体B 上，光栅检测器D 接收运动物体B 点的散射光，其中光源L 点和光栅检测器D 固定不动，且位置近似重合，运动物体以速度u 沿如图方向运动。

图2.4 激光多普勒模型图
根据上述介绍的激光多普勒原理可以确定多普勒频移υ∆：
υ∆=υυ-0=2u 0υcos θ/c
（2.11） 由此可知：只要测出υ∆值，就可以计算出物体B 的速度大小u ，而υ∆可以利用光栅测出。

而实际测量中由于测速仪被固定在某处，角度θ是确定的，甚至可以直接设置角度θ为o 30、o 45、o
60这些特殊的角度，可以使测量更方便。

2.3 激光多普勒测速的检测方法
激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。

但可见光波的频率通常在1410Hz 左右，而有实用意义的多普勒频移最高也不过810 -910 Hz 。

因为常用的光电器件不能响应光波的频率，直接检测对探测器的光电器件性能要求太高，所以基本不用。

光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。

利用同一相干光源的两束光按一定条件投射到光检测器上，进行干涉并通过光电转换器的平方率效应（即光强变化）得到其频差，这就是所需要的多普勒频移。

其他与光频接近或更高的的频率信息都因为远远超过光电器件的频率响应而被滤去。

在激光测速中有三种常见的外差检测基本模式：参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式【26】。

1、参考光模式
将一束参考光直接照射到光检测器上，同散射光束进行光学外差。

这束参考光必须取自同一个激光源，但并不一定要与照射光束相交。

之所以使它通过测量点并与照射光相交是出于光学上的调准方便，这样可以比较容易实现参考光束与散射光束的共轴对准，这种光路模式叫做参考光模式【27】。

图2.5 参考光模式
在图 2.5(a)所示情况下，测得的速度分量垂直于照射光束同参考光束交角的平分线，这一平分线通常也就是入射光学单元的光轴。

图 2.5(b)所示的布置，可以实现并行于光轴速度分量的测量。

由上图可知，参考光模式的结构简单，但其光路对准很麻烦。

2、单光束-双散射模式
这种工作模式利用一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频移【28】。

将一束经过聚焦的光束照射到流体中，在与系统轴线对称的两个方向上收集粒子的散射光。

当这两束光合成时，他们波前的相对相位取决于粒子到各收集光阑的距离。

所以，当粒子运动穿过光束时，这两束散射光束干涉相长或相消，导致载光阴极上得到以多普勒频率脉动的光强。

这个系统除了能在两个互相垂直平面中利用收集到的一对散射光测量两个瞬时速度分量以外，与条纹模式相比没有明显的优点。

图2.6 单光束–双散射模式
入射光束在1s e ，2s e 两个方向上的散射光频率分别是：
10101*()s s f f U e e λ
=+- 20201*()s s f f U e e λ=+- （2.12）
将这两个方向的散射光汇集在一起，在光检测器中进行光学外差，可得到多普勒频移：
12121|*()|D s s s s f f f U e e λ=-=- （2.13）
可见，单光束–双散射模式仅利用一束入射光，多普勒频移只决定于两束散射光的方向，而与入射光的方向无关。

但由于两束散射光由探测器接收，而多普勒频移与散射光的散射角直接相关，所以精度要求越高的情况下，探测器的收集立体角要求越小【29】。

3、双光束–双散射模式
这种模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇聚到光电探测器中进行外差而获得多普勒频移【30】。

双光束或条纹系统应用两束等强度的相交光束，在它们的相交体积中得到一组条纹图形。

每个离子穿过条纹图形时，光电检测器上的散射光强度发生强弱的变化，变化率与速度成正比【31】。

（a ）垂直光轴方向速度测量 （b ）平行光轴方向速度测量
图2.7 双光束–双散射模式
光束1和光束2在同一方向的散射光的频率分别为：
10011*()s s f f U e e λ
=+-。